摘要：利用由碱激发偏高岭土得到的地聚合物作胶结料，陶砂作骨料，制备了地聚合物-轻集料耐火混凝土，研究了这种新型耐火混凝土的力学性能和耐高温性能，考察了胶砂比和陶砂粒径对其耐高温性能的影响，提出“等厚模型”的概念来表征集料表面浆体厚度与混凝土耐火性能的关系，以期为地聚合物-轻集料耐火混凝土的配合比设计提供一定的参考价值。
关键词：地聚合物，轻集料，耐火混凝土，高温性能，等厚模型
耐火混凝土是一种能长期承受高温（200℃以上）作用，并在高温下保持所需要的物理力学性能的特种混凝土，通常由耐火骨料与适量的耐火胶结料和水按一定比例配制而成[1~3]。
耐火混凝土按照胶结料的不同可分为[4~6]硅酸盐耐火混凝土、铝酸岩耐火混凝土、磷酸盐耐火混凝土、硫酸盐耐火混凝土、矾土耐火混凝土、氯化物耐火混凝土、溶胶类耐火混凝土及有机物结合耐火混凝土等。所用骨料[7]有碎粘土砖、粘土、熟料、碎高铝砖、天然轻骨料（如浮石、凝灰岩等）、工业废渣（如炉渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等）、人造轻骨料（页岩陶粒、粘土陶粒、膨胀珍珠岩等）。
地聚合物是近30 年来发展起来的一种新型无机非金属材料，即以多种非晶质至半晶质相铝硅酸盐胶凝成分粘结的化学键陶瓷材料，具有强度高、硬化快、耐高温性能好等特点[8~11]，可用于建筑结构材料、有毒废物或核废料的固化材料以及耐高温材料等许多领域，亦可作为新型胶凝材料，代替部分水泥制品等，应用前景非常广泛。陶粒由于其容重小、绝热保温、耐高温等优点被广泛应用于耐火混凝土的配制[7，12]。但目前，国内外利用地聚合物与轻集料制备耐火混凝土的研究并不多见。
本文利用地聚合物作胶结料，陶砂作骨料，配制了地聚合物-轻集料耐火混凝土，对这种新型耐火混凝土的力学性能和耐火性能进行了研究，考察了胶砂比和陶砂粒径对其耐火性能的影响，提出了“等厚模型”的概念来表征集料表面浆体厚度与混凝土耐火性能的关系，以期为地聚合物-轻集料耐火混凝土的配合比设计提供一定的参考价值。
1 试验原材料与试验方法
1.1 试验原材料
偏高岭土：由普通高岭土经710℃恒温煅烧6h制得，比表面积为3500～4000㎝2/g，其化学成分如表1。
表1 偏高岭土的化学成分
Table 1 Chemical analysis of metakaolinite (MK)
硅酸钠：普通液体硅酸钠，模数M0=3.19，总含固量B0=39.2%。
氢氧化钠：化学纯粒状样品，纯度≥96%；
水：自来水；
陶砂：页岩陶粒（其性能指标见表2），经机械破碎后取1.18~2.36mm和2.36~4.75mm两个粒径范围的陶砂，分别用S和L表示；取等质量的S和L，混合均匀，得到粒径在1.18~4.75mm范围的陶砂，用字母M表示。
表2 页岩陶粒的性能指标
Table2 The performance index of shale haydite
1.2 试验方法
1.2.1 试样成型
在液体硅酸钠中加入氢氧化钠和水对其改性，得到试验用碱激发剂。试验之前先将陶砂置于105℃下烘24h。将配制好的改性水玻璃与偏高岭土按0.7的液固比搅拌制成地聚合物浆体，再按表3中的配合比将陶砂与浆体拌和均匀，填入4cm×4cm×4cm模具中振捣成型，室温养护1d后脱模，并用聚乙烯薄膜包裹密封防止体系水分与外界交换，置于（20±1）℃的环境中养护至28d。
1.2.2 高温性能测试
将上述成型试块置于高温炉中以≤150℃/h的速度升温至950℃，保温30min，关闭高温炉，待试块随炉膛冷却至室温测试其抗压强度，与未经煅烧的28d强度比较，得出强度损失率，分析地聚合物－轻集料耐火混凝土的高温性能及其影响因素。
表3 试验方案与试验结果
Table 3 Test program and test results
2 结果与讨论
由表3中数据可知，未加陶砂的纯地聚合物常温时强度最高，在其中加入陶砂之后，复合体系28d强度都随陶砂粒径及胶砂比的变化有不同程度的降低，主要原因是陶砂的强度较低，使地聚合物－轻集料混凝土的强度下降。950℃煅烧之后，纯地聚合物的剩余强度最低，为20.5MPa,强度损失率高达77%。强度损失率最小的是M2，高温受热之后抗压强度仍然可达43.3MPa。L3、M2和S1经950℃煅烧后的的高温力学性能较好。可见，地聚合物-轻集料耐火混凝土的力学性能和高温性能受陶砂粒径和胶砂比的影响，由表3中数据可得到图1和图2。
2.1 胶砂比对力学性能和高温性能的影响
由图1可知，当陶砂粒径相同时，随着胶砂比的不断减小，地聚合物-轻集料耐火混凝土的常温强度和经950℃煅烧后剩余强度呈现出不同的变化趋势。常温时，降低胶砂比，即增加轻集料陶砂的相对用量，混凝土的整体强度下降，原因是陶砂的强度较低，其在混凝土中所占的比例越大强度就越低。而经950℃煅烧后，胶砂比越小剩余强度越大，这是因为地聚合物中的结构水在高温时形成水蒸汽，并在浓度所决定的蒸汽压梯度驱动下，试图逸出毛细管，但在地聚合物这种高密实度的材料中，没有可供水蒸汽释放的通道，结果产生几乎达到饱和蒸汽压的过高水蒸汽分压，很容易达到极限值而发生爆裂。当体系中掺入陶砂之后，体系中会形成大量的可供水蒸汽扩散的孔洞，孔洞的数量随着陶砂掺量的增加而增加，因此可以大大降低蒸汽压引起的内部损伤，另外，陶砂本身为多孔材料，陶砂的加入，对蒸汽压的增加起到一定的缓释作用。
2.2 集料粒径对力学性能和高温性能的影响
由图2可知，当胶砂比为1：1.5时，地聚合物-轻集料耐火温混凝土的28d强度和经950℃煅烧后的剩余强度随陶砂粒径的减小而增加，而强度损失率却随陶砂粒径的减小而减小。说明胶砂比相同时，减小陶砂粒径，可以提高其常温抗压强度和受热后剩余强度，而且陶砂粒径越小，地聚合物-轻集料耐火混凝土的强度损失率越小，即高温性能越好。原因是：胶砂比固定后，集料粒径越小引入体系的可供水蒸气扩散的孔洞越多，更有效地缓解由蒸汽压引起的混凝土内部损伤。
2.3 机理分析与“等厚模型”的提出
事实上，固定陶砂粒径而一味地降低胶砂比，或者固定胶砂比而只是减小陶砂粒径，就会使胶结料的相对用量减少，没有足够的浆体填充集料之间的空隙，最终形成了类似“沙琪玛”的空间结构，如图3所示，得到的“沙琪玛”结构混凝土如图4所示。集料表面胶结料的用量，可以形象地表述为集料表面胶结料的厚度。
正是这种独特的结构赋予了地聚合物-轻集料混凝土优异的耐高温性能：在受热过程中，地聚合物中的结构水和轻集料中的吸附水转变成的水蒸气可以释放到“沙琪玛”结构的孔洞中，从而缓解了地聚合物-轻集料混凝土的高温破坏现象。这也是为什么地聚合物-轻集料混凝土密实体系高温性能不如“沙琪玛结构”的原因。
图4 成型实物示意图
Fig.4 The abridged general view of test sample
改变集料粒径和胶砂比本质上是改变集料表面胶结料的用量，形象地可以表述为集料表面胶结料的厚度。为了研究集料表面胶结料厚度对混凝土高温性能的影响，提出了“等厚模型”的概念，即包裹在每颗陶粒表面的地聚合物浆体的厚度是相等的，反映在量上，就是陶粒表面单位面积上的地聚合物的质量是相等的，而地聚合物的量又可以通过偏高岭土的量来表示，所以用陶砂颗粒单位表面积上分布的偏高岭土的质量来表征颗粒表面地聚合物浆体的厚度是可行的。“等厚模型”是一种理想状态，首先提出两点假设：
①假设集料为球体，大小相同，取陶砂的平均粒径为其直径D；
②假设陶砂在4cm×4cm×4cm的立方体空间中按照简单的立方体堆积，即边长为D的立方
体内放一个直径为D的球。
则：
式中：D—球形集料直径，mm；
s—单个集料表面积，mm2；
v—单个集料所占立方体的体积，mm3；
N—每个试块（4cm×4cm×4cm）中集料颗粒数量；
S—每个试块（4cm×4cm×4cm）中集料的总表面积，mm2；
x—每个试块偏高岭土的用量，g；
h—集料颗粒表面单位面积分布的胶凝材料的量，g•mm-2。
试验过程中记录每组配比各原料用量，计算出成型一个4cm×4cm×4cm试块所需的胶凝材料用量x值，根据式1可得出陶砂颗粒表面单位面积分布的偏高岭土的量h，见表4中数据。
表4 陶砂表面单位面积分布的地聚合物
Table 4 the amount of geopolymer cover the unit surface of shale haydite sands
由表4中数据可知，L3、M2和S1三种试样的h值最为相近，分别为3.56×10-4、3.34×10-4、3.51×10-4，认为这三种配比下，陶砂颗粒表面包裹的地聚合物浆体厚度相近，此时的抗压强度和耐高温性能相对较好；而当h值低于2.7时，其抗压强度很低，甚至在950℃煅烧之后丧失强度；当h值高于4.5时，950℃煅烧后强度损失率增加，高温性能降低。可见，h值在3~5g·mm-2区间之内时高温性能相对较好。
3 地聚合物轻集料耐火混凝土配合比的设计
与普通混凝土相比，耐火混凝土存在着原材料和服役环境的不确定性，因而至今没有公认的配合比设计方法。对于地聚合物-轻集料耐火混凝土而言，可以以“等厚模型”为理论基础，来进行配合比的设计。根据表4 中的h 值（陶砂表面单位面积分布的胶凝材料质量，g·mm-2）和试验过程中积累的经验，对于1.18~4.75mm 的陶砂，h 值的最佳取值应该在3~5g·mm-2 之间，可以作为地聚合物基轻质耐高温混凝土配合比设计的一个参考指标。
4 结论
（1）利用由碱激发偏高岭土得到的地聚合物与轻集料陶砂制备出的地聚合物-轻集料耐火混凝土具有很好的耐高温性能；其高温性能受陶砂的粒径、混凝土的胶砂比等因素的影响。
（2）固定胶砂比，陶砂粒径越小混凝土的强度越高，耐高温性能越好；固定陶砂粒径，混凝土常温强度随胶砂比的增大而减小；经950℃煅烧之后胶砂越大剩余强度越大；因而强度损失率越小，即耐高温性能越好。
（3）提出了“等厚模型”的概念来表征集料表面浆体厚度与混凝土耐火性能的关系，以期为地聚合物－轻集料耐火混凝土的配合比设计提供一定的参考。
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Preparation and properties of geopolymer-lightweight aggregate
refractory concrete
WU Jing1, HE Yong-jia1, YANG Wen2, DING Qing-jun1,
(1. Key Laboratory for Silicate Materials Science and Engineering of Ministry of Education, Wuhan University ofTechnology, Wuhan 430070, China)
(2. READY MIX CO.OF CCTEB, Wuhan 430070, China)
Abstract: Geopolymer-lightweight aggregate refractory concrete was prepared with alkali activated MK and lightweight aggregate. Mechanical property and resistance to elevated temperatures of this new refractory concrete were investigated. The effect of size of aggregates and ratio of geopolymer to aggregate on the resistance to elevated temperature of this concrete were also discussed. In order to show the relationship between the thickness of geopolymer covered over aggregates and the thermal property of concrete, “Equal Thinkness Model” was initially proposed, which provide a reference for the mix design of geopolymer-lightweight aggregate.
Key words: geopolymer, lightweight aggregates, refractory concrete, thermal property, Equal Thickness Model
